8章半导体器件

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二极管电路分析举例
导通 截止 若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零， 反向截止时二极管相当于断开。
定性分析：判断二极管的工作状态
否则，正向管压降
硅0.6-0.7V 锗0.2-0.3V
分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。 若 V阳 >V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 <V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止
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P
反向特性
外加电压大于反向击 穿电压二极管被击穿， 失去单向导电性。
伏安特性的折线化
I I
0
UD
0
近似特性
理想特性
理想二极管加正向电压导通，正向电压降和正向 电阻为零，相当于短路；加反向电压截止，反向电 流为零，反向电阻等于无穷大，相当于开路。
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(三) 主要参数
（1）额定正向平均电流IF （最大整流电流） 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正 向平均电流。 （2）正向电压降UF 二极管通过额定正向平均电流时两端的电压降。 （3）反向击穿电压UBR 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流 剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而 烧坏。 （4）最高反向工作电压UR 保证二极管不被击穿所允许施加的最大反向电压， 一般是UBR的一半或三分之二。
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（5）最大反向电流 IRm
指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。所 选管子反向电流越大，说明管子的单向导电性越好。 反向电流受温度的影响，温度升高反向电流会显著增 加。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十 到几百倍。 以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主 要利用它的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、 元件保护以及在数字电路中作为开关元件。
P I + –
内电场 外电场
N
内电场被 削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。
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2. PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
自由电子
+4
束缚电子
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当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出 现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流 自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复 合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态 平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。
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点接触型(锗管）：PN结 的面积小结电容小，只能通 过较小的电流用于高频电路 或小电流整流电路，也用作 数字电路的开关元件。
(二) 伏安特性
特点：非线性 反向击穿 电压U(BR) 反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。 – +N
I
正向特性 P + –
N
硅0.6~0.7V 导通压降 锗0.2~0.3V U 硅管0.5V,锗 死区电压 管0.2V。 外加电压大于死区 电压二极管才能导通。
P
内电场 外电场
N
–
+
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2. PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
PN 结变宽
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P
I≈0
内电场 外电场
N
–
内电场被加 强，少子的漂 移加强，由于 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。
（a. 电子电流、b.空穴电流）
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（三） PN结
（1） PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导 体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。
内电场越强， 少子的漂移运动 漂移运动越 P型 强，而漂移 PN结 N型 使空间电荷 － － － － － － + + + + + + 区变薄
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二极管的单向导电性
1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴 极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正 向电阻较小，正向电流较大。 2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴 极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反 向电阻较大，反向电流很小。 3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失 去单向导电性。 4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反 向电流愈大。
接受一个 电子变为 负离子 空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动
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Si B
Si
Si
P型硅表示
总
结
1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提 供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少 数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能 形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要 是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。
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例8.2.1
阳
D 阴
+
A
电路如图，求：UAB 取 B 点作参考点， 断开二极管，分析二 极管阳极和阴极的电 位。
3k
6V 12V
UAB –
B
V阳 =－6 V V阴 =－12 V V阳>V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB =－ 6V 否则， UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V 在这里，二极管起钳位作用。
硅和锗的晶体结构
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共价键共
用电子对
+4 +4
+4
+4
形成共价键后，每个原 子的最外层电子是八个，构 成稳定结构。
共价键有很强的结合力，使原 子规则排列，形成晶体。
共价键结构
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中， 称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成 为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少， 所以本征半导体的导电能力很弱。
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（一） 本征半导体
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成 晶体。 完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称 为本征半导体。 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗， 它们的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
+4
简化模型
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在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成 晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心， 而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子 与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价 电子。
Si Si
多余电子 N型硅表示
P Si
磷原子
失去一个电子 变为正离子
Si
+
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N型半导体 N型半导体中的载流子是什么？
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子 相同。 2、本征半导体中成对产生电子和空穴。
3、掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导 电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子 半导体或N型半导体。自由电子浓度远大于空穴 浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空 穴称为少数载流子（少子）。
2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。
无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。
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杂质半导体的示意表示法
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + + + + + + + +
P型半导体
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P型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或 铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼 原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形 成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚 电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离 子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。
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P型半导体 硅原子 空穴 硼原子
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本征半导体的导电机理
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子 完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动 的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相 当于绝缘体。 在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够 的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时 共价键上留下一个空位，称为空穴。 空穴 +4 +4 +4
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N型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或 锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代。 磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的 半导体原子形成共价键，必定多出一个电子。 这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电 子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每 个磷原子给出一个电子，称为施主原子。 硅原子
+
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小， 反向电阻较大，PN结处于截止状态。 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。
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PN 结的形成
扩散运动和漂移运动的动态平衡
扩散强 内电场增强 两者平衡 漂移运动增强
PN结宽度基本稳定
外加 电压
平衡 破坏